CN103116202B - 可见光合波器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光学技术领域，提供了一种可见光合波器，所述可见光合波器包括至少两个级联的耦合器；各级耦合器一体成型。本发明提供的可见光合波器采用一体成型的波导结构，可实现两波长或三波长或更多波长的光信号的合成或分离。这种波导型光合波器具有结构简单紧凑，集成度高的特点，有利于激光光源的微型化和低成本。在激光显示、激光成像、激光照明等领域有着诱人的应用前景，具有重要的科学研究意义和应用价值。

Description

可见光合波器

技术领域

本发明属于集成光子器件技术领域，尤其涉及一种可见光合波器。

背景技术

激光显示采用高色饱和度的三基色激光作为显示光源，是继黑白显示、彩色显示、数字高清显示之后的第四代显示技术，由于激光显示具有色域范围广、寿命长、环保、节能等优点，被认为是显示领域的一次革命。使用三基色激光光源，需要合波系统，目前市场上主流的合波系统有空间光合波以及光纤熔融拉锥合波。空间光合波系统结构复杂，调整难度大，对器件的要求偏高，同时对环境稳定性的要求也很高，以至于成本整体偏高并且体积较大；而光纤熔融拉锥合波系统的结构相对简单，但是由于存在轴向损耗，所以在合波效率方面存在一定的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构紧凑、集成度高、工作效率较高的可见光合波器。

本发明是这样实现的，一种可见光合波器，所述可见光合波器包括至少两个级联的耦合器；各级耦合器一体成型。

进一步地，所述各级耦合器以波导结构形成于同一衬底上，所述波导结构包括折射率较高的芯层和折射率较低的包层。

所述可见光合波器用于可见光的分波、合波，所述芯层为SiC层，所述包层为SiO₂层。

进一步地，每级耦合器的第一端具有两波导端口，第二端具有一波导端口；且每级耦合器第二端的波导端口同时作为其下一级耦合器的第一端的一个波导端口。

进一步地，所述各级耦合器为多模干涉耦合器或定向耦合器。

进一步地，所述多模干涉耦合器的两个波导端口之间具有多模波导；对于处在第N级的多模干涉耦合器，其多模波导的长度L_MMI满足如下关系式：L_MMI=n₁3L_π1=n₂3L_π2=......=n_N3L_πN=n_N+13L_πN+1，其中，L_π1、L_π2、......、L_πN分别为第N级多模干涉耦合器第一端的一个波导端口输入/输出的N个波长所对应的拍长，L_πN+1为第N级多模干涉耦合器第一端另一个波导端口输入/输出的第N+1个波长所对应的拍长，n₁、n₂、......、n_N、n_N+1均为整数，且n₁、n₂、......、n_N为奇数而n_N+1为偶数，或者n₁、n₂、......、n_N为偶数而n_N+1为奇数。

进一步地，所述定向耦合器的两个波导端口之间具有定向耦合区；对于处在第M级的定向耦合器，其定向耦合区的长度L_D满足如下关系式：L_D=m₁L_C1=m₂L_C2=......=m_ML_CM=m_M+1L_CM+1，其中，L_C1、L_C2、......、L_CN分别为第M级定向耦合器第一端的一个波导端口输入/输出的M个波长所对应的耦合长度，L_CM+1为第M级定向耦合器第一端另一个波导端口输入/输出的第M+1个波长所对应的耦合长度，m₁、m₂、......、m_M、m_M+1均为整数，且m、m₂、......、m_M为奇数而m_M+1为偶数，或者m₁、m₂、......、m_M为偶数而m_M+1为奇数。

本发明提供的可见光合波器采用一体成型的波导结构，可实现两波长或三波长或更多波长的光信号的合成或分离。这种波导型光合波器具有结构简单紧凑，集成度高的特点，有利于激光光源的微型化和低成本。而且，因为本发明涉及的合波器是集成化的器件，不用分立器件的级联，分立器件级联会涉及到光能损失最终影响效率。

附图说明

图1是本发明提供的可见光合波器的光学结构；

图2是本发明提供的多模干涉耦合器的芯层光学结构；

图3是本发明提供的定向耦合器的芯层光学结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的可见光合波器采用一体成型的波导结构，可实现两波长或三波长或更多波长的光信号的合成或分离，尤其可用于RGB三基色激光光源。

如图1所示，本发明提供的可见光合波器包括至少两级级联的第一级耦合器和第二级耦合器，各级耦合器以波导结构形成于同一衬底上，从物理层看，波导结构包括折射率较高的芯层和折射率较低的包层，这样光才限制在高折射率芯层传播。当用于可见光的分波、合波时，本发明的芯层为SiC层，包层为SiO₂层，在光波段，SiO₂层的折射率比SiC小，光被限制在SiC层传播。各级耦合器一体成型，可见光合波器为一集成器件。以图1中示出的可见光合波器的合波过程为例，波长分别为λ₁、λ₂的光分别输入至耦合器1，经耦合器1合波后再与波长为λ₃的光一起输入耦合器2进行合波，最终实现λ₁、λ₂、λ₃三波长的光从耦合器2的同一端口输出。

从光学结构来看，每级耦合器的第一端具有两波导端口，如图1中的端口11、12，第二端具有一波导端口，如图1中的端口2；且每级耦合器第二端的波导端口同时作为其下一级耦合器的第一端的一个波导端口，如图1中第一级耦合器的波导端口2同时作为第二耦合器的波导端口11。当用于合波使用时，第一端即为输入端，第二端为输出端，当用于分波使用时，第一端为输出端，第二端则为输入端。

上述各级耦合器可以选用多模干涉耦合器实现，也可以选用定向耦合器，最终的可见光合波器可以是多个多模干涉耦合器级联，也可以是多个定向耦合器级联，还可以是多模干涉耦合器和定向耦合器混合级联。

下文对多模干涉耦合器和定向耦合器的结构以及工作原理进行描述。

如图2所示，多模干涉耦合器的波导端口3和波导端口5之间有多模波导4，根据多模干涉原理，各阶导模在多模波导中传播时，由于传播常数不同，将产生相位差，相互之间发生干涉，当多模波导长度满足一定条件，输出端将出现输入光场的一个或多个像。当多模波导4的长度满足三倍拍长的偶数倍时可以得到输入场的正像；当多模波导4的长度满足三倍拍长的奇数倍时可以得到输入场的反演像。对于图2中A端口入射，D端口输出的是正像，C端口输出的是反演像；对于B端口入射，C端口输出的是正像，D端口输出的是反演像。

同时参照图1、图2，若第一级耦合器采用多模干涉耦合器，设多模波导4的长度为L_MMI，若满足L_MMI=n₁3L_π1=n₂3L_π2，其中L_π1、L_π2分别是两个波长λ₁、λ₂对应的拍长，n₁、n₂为整数，并且其中一个为偶数，另一个为奇数。可以实现分别从A、B两端口输入的光都从C端口或D端口输出，以达到λ₁、λ₂二波长从多模干涉耦合器的同一端口输出的效果。本发明中，多模波导的拍长L_π：拍长数值上等于基模与一次模的传播常数差的倒数的π倍。

$L_{\mathrm{\π}}=\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\β}}_1}$

β₀、β₁分别为基模与一次模的传播常数，与工作波长、多模波导宽度及波导芯层折射率有关，因此拍长也为工作波长、多模波导宽度及波导芯层折射率的函数。

若第二级耦合器采用多模干涉耦合器，设多模波导4的长度为L_MMI，若满足L_MMI=n₁3L_π1=n₂3L_π2=n₃3L_π3，其中L_π1、L_π2、L_π3分别是三个波长λ₁、λ₂、λ₃对应的拍长，n₁、n₂、n₃为整数，并且n₁、n₂为奇数，n₃为偶数；或者n₁、n₂为偶数，n₃为奇数。可以实现λ₁、λ₂、λ₃三波长从多模干涉耦合器的同一端口输出。

图1中以两级耦合器、三波长的合波为例，可将上述原理进行推广至更多级耦合器以实现更多波长的合波/分波，对于处在第N级的多模干涉耦合器，其多模波导的长度L_MMI满足如下关系式：L_MMI=n13Lπ1=n₂3L_π2=......=n_N3L_πN=n_N+13L_πN+1，其中，L_π1、L_π2、......、L_πN分别为第N级多模干涉耦合器第一端的一个波导端口输入/输出的N个波长所对应的拍长，L_πN+1为第N级多模干涉耦合器第一端另一个波导端口输入/输出的第N+1个波长所对应的拍长，n₁、n₂、......、n_N、n_N+1均为整数，且n₁、n₂、......、n_N为奇数而n_N+1为偶数，或者n₁、n₂、......、n_N为偶数而n_N+1为奇数。

如图3所示，定向耦合器的波导端口3和波导端口5之间具有定向耦合区6。根据耦合模理论，改变两根波导之间的距离可以改变耦合长度，从而使一根波导中的光耦合到另一根波导中。当定向耦合区6的长度满足耦合长度的偶数倍时，输入光从直通端输出；当定向耦合区6的长度满足耦合长度的奇数倍时，输入光从交叉端输出。对于图3中E端口入射，G端口是直通端，H端口是交叉端；对于F端口入射，G端口是交叉端，H端口是直通端。本发明中，定向耦合器的耦合长度L_C定义如下：定向耦合器由两根波导组成，假设光从一根波导输入，耦合长度定义为光功率完全转化到另一根波导所需的长度，耦合长度为两波导间距的函数。

同时参照图1、图3，若第一级耦合器采用定向耦合器，设定向耦合区6的长度为L_D，若满足L_D=m₁L_C1=m₂L_C2，其中L_C1、L_C2分别是两个波长λ₁、λ₂对应的耦合长度。m₁、m₂为整数，并且其中一个为偶数，另一个为奇数，就可以实现λ₁、λ₂两波长从定向耦合器的同一端口输出。

若第二级耦合器采用定向耦合器，设定向耦合区6的长度为L_D，若满足L_D=m₁L_C1=m₂L_C2=m₃L_C3，其中L_C1、L_C2、L_C3分别是三个波长λ₁、λ₂、λ₃对应的耦合长度。m₁、m₂、m₃为整数，并且m₁、m₂为奇数，m₃为偶数；或者m₁、m₂为偶数，m₃为奇数，就可以实现λ₁、λ₂、λ₃三波长从定向耦合器的同一端口输出。

图1中以两级耦合器、三波长的合波为例，可将上述原理进行推广至更多级耦合器以实现更多波长的合波/分波，对于处在第M级的定向耦合器，其定向耦合区的长度L_D满足如下关系式：L_D=m₁L_C1=m₂L_C2=......=m_ML_CM=m_M+1L_CM+1，其中，L_C1、L_C2、......、L_CM分别为第M级定向耦合器第一端的一个波导端口输入/输出的M个波长所对应的耦合长度，L_CM+1为第M级定向耦合器第一端另一个波导端口输入/输出的第M+1个波长所对应的耦合长度，m₁、m₂、......、m_M、m_M+1均为整数，且m、m₂、......、m_M为奇数而m_M+1为偶数，或者m₁、m₂、......、m_M为偶数而m_M+1为奇数。

本发明的可见光合波器作为合波器使用时，如果采用N-1个级联的耦合器对N个波长进行合波，而其中任意M个波长输入功率为零、其余的N-M个波长输入功率不为零，可以达到N-M个波长合一的效果。作为分波器使用时，将多束不同波长的光从本发明的光分波器的具有单个波导端口的端入射，最终分出的光将从不同端口输出，实现分波的效果。本发明的可见光合波器适合于650/635/532/488/473/460nm等常见的可见光波长以及近红外波长的光。

根据所采用的材料不同，本发明的实施方式可以多种途径，例如在应用于可见光波段时，可选择在可见光波段消光系数小的材料，具体可采用SiC、SiO2等材料来制作。在器件制作上，在Si介质衬底上生长一层SiO2，用等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）制备SiC外延，再用反应离子刻蚀方法制作SiC介质波导。

本发明在激光显示、激光成像、激光照明等可见光领域有着诱人的应用前景，具有重要的科学研究意义和应用价值，也在近红外等非可见光波段用于光通信领域的合波。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可见光合波器，其特征在于，所述可见光合波器包括至少两个级联的耦合器；各级耦合器一体成型；每级耦合器的第一端具有两波导端口，第二端具有一波导端口；且每级耦合器第二端的波导端口同时作为其下一级耦合器的第一端的一个波导端口；所述各级耦合器中包含多模干涉耦合器；

所述多模干涉耦合器的两个波导端口之间具有多模波导；对于处在第N级的多模干涉耦合器，其多模波导的长度L_MMI满足如下关系式：L_MMI＝n₁3L_π1＝n₂3L_π2＝......＝n_N3L_πN＝n_N+13L_πN+1，其中，L_π1、L_π2、......、L_πN分别为第N级多模干涉耦合器第一端的一个波导端口输入/输出的N个波长所对应的拍长，L_πN+1为第N级多模干涉耦合器第一端另一个波导端口输入/输出的第N+1个波长所对应的拍长，n₁、n₂、......、n_N、n_N+1均为整数，且n₁、n₂、......、n_N为奇数而n_N+1为偶数，或者n₁、n₂、......、n_N为偶数而n_N+1为奇数。

2.如权利要求1所述的可见光合波器，其特征在于，所述各级耦合器以波导结构形成于同一衬底上，所述波导结构包括折射率较高的芯层和折射率较低的包层。

3.如权利要求2所述的可见光合波器，其特征在于，所述可见光合波器用于可见光的分波、合波，所述芯层为SiC层，所述包层为SiO₂层。

4.如权利要求1所述的可见光合波器，其特征在于，所述各级耦合器中还包含定向耦合器；所述定向耦合器的两个波导端口之间具有定向耦合区；对于处在第M级的定向耦合器，其定向耦合区的长度L_D满足如下关系式：L_D＝m₁L_C1＝m₂L_C2＝......＝m_ML_CM＝m_M+1L_CM+1，其中，L_C1、L_C2、......、L_CM分别为第M级定向耦合器第一端的一个波导端口输入/输出的M个波长所对应的耦合长度，L_CM+1为第M级定向耦合器第一端另一个波导端口输入/输出的第M+1个波长所对应的耦合长度，m₁、m₂、......、m_M、m_M+1均为整数，且m、m₂、......、m_M为奇数而m_M+1为偶数，或者m₁、m₂、......、m_M为偶数而m_M+1为奇数。